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铅酸蓄电池的基础知识
铅酸蓄电池的基本知识
富液铅酸蓄电池是由法国科学家普朗特于1859年发明，它由极板、铅和氧化铅及35%硫酸和65%水构成的电解液组成。
目前广泛应用于汽车、船舶、原动机等。
一、基本概念
电压：
电压是用于描述做功势能的电气测量方法，单位为伏特。
电流：
电流是测量有多少电子流过导体的测量方法，单位为安培。
功率：
功率是电压和电流的乘积，单位为瓦特。
单体电池：
单体电池是电池的最基本单个部件。
它们由装有可相互作用的电解液和铅极板的容器构成。
电池电压：
铅酸电池的额定电压取决于串联连接的单体电池数量。
每个单体电池提供2伏的额定电压，那12伏的电池通常由6个单体电池串联组成。
充电状态：
描述电池充电程度的指标，表示为介于完全充电和完全放电的差值的百分比。
实际电压与电池充电的相互关系取决于电池温度。
充满电的时候，冷的电池有比热的电池有低一些的电压。
完全（100%）充电状态：
电池内所有可利用的活性物质全部转变成完全充电的状态。
过度充电：
完全充电后仍延续的充电，它造成极板碎裂和脱落。
这些活性物质的颗粒落到电池底部，容易造成短路。
过度充电也大大地增加了发热和失水。
放电深度：
放电深度是测量电池放电有多深的一种方法。
当电池100%充满时，那放电深度为0%。
相反，当电池100%放空，放电深度为100%。
电池平均放电越深，所谓的循环寿命越短。
例如，起动用电池不是用于深放电（不多于20%放电深度）。
确实，按其设计来使用，它们几乎不完全放电；发动机起动是高能量密度的，但持久时间非常短。
过度放电：
电池的放电超过某一规定的限度，容易造成硫酸盐化。
大多数电池厂家提倡在重新充电前不使电池放电超过50%。
电池（存储）容量：
电池的容量是尝试对额定电压下可存储的、可使用能量数量的量化，单位为安培小时（Ah）。
例如，一个100安培小时的电池能提供5安培电流达20小时，20安培电流达5小时等。
同样地，一个电池物理容积越大，其总存储容量越大。
当电池并联时，存储容量相叠加；而电池串联时，电压相叠加。
例如可选择购买12伏电池或通过几个电压低一些的电池/单体电池串联来建立一个12V系统。
2个6伏、
100安培小时的电池并联具有6伏、200安培小时（或1200瓦小时）的总存储容量。
并联的12伏电池组成的电池组可经常见到。
串联的电池组更复杂一些。
4个6伏电池按2“串”12伏直流接线，然后并联。
此系统利用6伏，100安培小时的电池得到具有在12伏、200安培小时或2400瓦小时的存储容量。
充电率/放电率是蓄电池充电时/放电时的电流值，单位为安培。
通常我们用C/XX表示，C是电池额定容量，XX指的是以一个恒定的电流使一个电池完全放电的小时数。
例如，一个100安培小时的电池，如果你把它的安培小时数除以10小时，那你得到一个10安培的充电（或放电）率。
10安培是一个100安培小时的电池的C/10充电（或放电）率。
看看另一个500安培小时容量的电池，C/10率为50安培。
2个不同容量电池之间的充电（或放电）电流的绝对值是不同的，但对电池电压的影响是相同的。
电流与电池容量的成相同的比例。
（实际）可用容量与（额定）总容量
容量是在规定的条件下完全充电的电池能够提供的电量，单位为安培小时。
由于电池依靠化学反应来产生电能，它们的可用容量部分地取决于你试图相对于它们的总容量，多快地给电池充电或使之放电。
总容量是测量电池可存储多少能量的方法，常简略地用C表示。
（实际）可用容量始终小于总容量。
典型地，一个电池的安培小时容量是以让它在20小时内（也就是我们所说的C/20率）放空的放电率测量。
如果你试图以快于C/20的速度使一个电池放电，会有较小的可用容量，反之亦然。
偏离C/20率越远，可用容量（相对于总容量）的差异越大。
储备容量是电池在其可用容量完全耗尽前可维持负荷多长时间（分钟）的测量方法。
它是一个完全充满电的额定电压为12伏电池在25℃±2℃下以25安培的电流放电直至10.5±0.05伏时的分钟数。
储备容量也分为额定储备容量和实际储备容量。
低温起动电流（CCA）是在蓄电池完全充电后1h-5h内，（对于12V电池而言）在-18±1℃下放电5s，端电压不低于9.00V,放电60s端电压不低于8.4V时的最大电流。
这个指标对在寒冷天气下工作的起动用电池尤其重要。
起动电流（CA）是在蓄电池完全充电后，（对于12V电池而言）在25±5℃下放电5s，端电压不低于9.00V,放电150s端电压不低于6.00V时的最大电流。
转换效率是指电池把电量转化为化学能和化学能转化为电量的能力。
系数越高，能量转化为热越少，电池可在无过热情况（其他条件相同的情况下）下充电越快。
电池的内阻越低，电池转化效率越好。
铅酸电池的转换效率通常在85%-95%之间。
电池寿命是当电池不再保持合适的电量（例如电池短路）或可用电池容量为额定的容量时的80%或以下时，电池厂家就把它确定为电池的寿命终结。
铅酸电池的寿命通常有几个因素所限制：
∙循环寿命是测量电池在其铅极板隔栅/极板预期失效和短路前能进行多少次充电和放电循环的一种方法。
平均放电深度越大，循环寿命越短。
∙由于电池内的化学成分侵蚀铅极板，龄期的长短也对电池有影响。
电池的“生活条件”越健康，它们为你服务的时间越长。
铅酸电池在充满电状态下适合于保存在一个阴凉的地方。
只购买最近生产的电池，故要弄清每个电池上所印的日期编码。
电池在仓库中搁置越长时间，它服务你的时间就越短。
由于铅酸电池在充满电时不会冻结，在冬天时可存放在冷的地方，使之寿命最大化。
∙硫酸盐化是对未充满电电池的一种持久的威胁。
在这些电池中会形成一层硫酸铅并妨碍给电池充/放电的电化学反应。
在正常放电过程，在孔隙中和在铅酸电池内部的正极和负极表面上形成柔软的硫酸铅晶体。
当电池停留在一个放电状态、持续地充电不足或电解液低于极板顶部，某些软的硫酸铅重新结晶成硬硫酸铅。
在随后的重新充电期间它不能重新转化。
这个硬的晶体产生通常称为“铅硫酸盐化”。
它是造成多数铅酸电池失效的原因。
硫酸盐化发生时间越长，硫酸铅的晶体就会变得越大越硬。
正极板会变浅褐色，而负极板会暗淡、成灰白色。
这些晶体减低了电池的容量和重新充电的能力。
寄生负荷是电池安装在车辆等设备上、即使电源关闭时在电池上出现的恒定电负荷。
此负荷来自于电器（例如时钟、安全系统、维持无线电台预设定等）的连续工作。
由于寄生负荷和自然自放电，当长期存放时，铅酸电池放电时出现永久的硫酸盐化。
当切断负极电池线时，将消除寄生负荷，它对电池的自然自放电无影响。
自放电是随温度（增加）而加速。
因此对于不在使用中、放置在经销商货架上的、或在停泊的车辆中，尤其在高温下的铅酸电池，硫酸盐化可成为一个大问题。
如果电池进行均衡化，很多电池可从回收堆中拯救过来。
硫酸盐层在电池铅极板上形成阻挡层，它妨碍存储和放出能量的能力。
恒流充电：
通过调整充电装置输出电压或改变与蓄电池串联电阻的方法，使充电电流维持在恒定值下的充电方法。
两阶段充电：
开始以某一电流充电，并在一预定点后以较低的电流充电的一种充电方式。
例如某一电池要补充100安培小时的电量，你先以30安培充电一段时间，当电池达到80%的充电状态时改为6安培充电电流。
恒压充电：
使电池端子间的电压维持在恒定值、电流随着蓄电池端电压的逐渐升高而逐渐减少的充电方法。
一些较好的充电器有限流装置，充电方式也称为改进型恒压充电。
急充电：
以高的电流率、短时间进行的一种部分充电。
均衡（化）充电是使用可控制的过充电来击碎硫酸盐层并达到所有单体电池电解液的比重相同的最后手段，是一种延续充电。
这个过程会导致电池电解液沸腾并析出气体，因此它只应在严格监督下和采取适当防护措施下进行。
涓流（浮）充电是一种为了补偿电池自放电，使电池保持在近似完全充电状态的连续小电流充电方式。
析气是以电解液运动为特征的电解作用所引起的气体的形成。
当你试图以快于电池可吸收能量的速度给电池充电，它们开始析出气体。
过度的能量转化为热，然后会导致电解液沸腾和蒸发。
电池中蒸发掉的电解液可通过可拆卸盖子来添加。
通常在80-90%的充电状态下开始出现析气，出现少量析气是正常的，但大量析气就表明过度充电，应停止或减小电流。
热失控是在恒压充电期间发生的一种临界状态，此时电池的电流及温度发生的一种累积的、互相增强的作用并逐渐增强导致电池的损坏。
这是电池充电太快时会发生的一种非常危险的情况。
析气的其中一种副产品是氧气和氢气。
当电池热起来时，析气率增加且周围的氢气爆炸（的机会）可能变得越来越大。
高的氢气浓度所造成的危险是要求电池安装在单独的、排气良好的区域的原因之一。
二、铅酸电池的工作原理
铅酸电池是利用可逆化学反应来存储电能的装置，它使用铅极板或板栅和构成电解液的稀释硫酸的组合来将电能转化为潜在的化学能，然后反过来又把化学能转化为电能。
充放电反应方程式：
充电时
正极PbSO4+2H2O—→PbO2+HSO4-+3H++e-
负极PbSO4+H++2e-—→Pb+HSO4-
合起来的反应方程式：
2PbSO4+2H2O+能量—→Pb+PbO2+2HSO4-+2H+
电解液（水→硫酸），比重增大
充电电流
极板
PbSO4→海绵状铅
极板
PbSO4→PbO2
充电器
放电时刚好相反：
正极PbO2+HSO4-+3H++e-—→PbSO4+2H2O
负极Pb+HSO4-—→PbSO4+H++2e-
合起来的反应方程式：
Pb+PbO2+2HSO4-+2H+—→2PbSO4+2H2O+能量
放电电流
电解液
隔板
电解液（硫酸→水），比重降低
海绵状铅→PbSO4
极板
极板
负荷
充电时来自充电器的充电电流流过电池端子正负极,正极板处的PbSO4转化为PbO2，在负极板处PbSO4转化为海绵状的Pb。
充电结束后，电池处于饱和开路状态，相当于一个电源。
当电池与负载相连接时，它就处于放电状态，正极板处的PbO2转化为PbSO4，在负极板处海绵状的Pb转化为PbSO4。
在此过程中电解液提供放电化学反应所需的硫酸根。
正负极由活性物质PbSO4.Pb，转变为PbSO4，其电量随着放电的进行逐渐减少。
在充电时，电解液的比重不断上升。
在放电时，电解液的比重不断下降。
上述充放电反应可循环进行，故铅蓄电池重复使用很多次。
三、铅酸电池的分类与结构
1.类型
铅酸电池都是按特定用途制造，结构上也不相同。
广义地说，分为2大类：
起动用电池和深循环电池。
起动用电池用于使内燃机起动运转。
它们在短时间内非常快释放很大能量，铅极板非常薄。
但是，它不容许放电很深，因为对于起动机电流所需的薄铅极板在深放电和重新充电循环下很快退化。
大多数起动用电池在被不可逆转性损坏之前只容许完全放电几次。
深循环电池（也称为牵引用电池）有使它们更好地承受深放电的较厚铅极板。
它们不能如起动用电池那样快释放电荷，但也可用于起动内燃机。
铅极板越厚，寿命越长。
电池重量是用于一个电池中铅极板厚度的简单指标。
一个已知组尺寸的电池越重，极板越厚，电池容许放电越深。
上述两类电池除了极板厚度、数量的不同外，其极板的活性成分也是不同的。
某些“船用”电池为起动和深循环双用途电池。
但是，起动用途所需的薄极板也兼顾了深循环性能。
因此除非空间/重量限制外，这样的电池不应深循环，且应避免深循环使用。
2.结构
铅酸电池按结构型式分为：
常规（富液）和阀控（VRLA—Valve-RegulatedLeadAcid）电池。
富液（湿式）电池是电解液为普通硫酸溶液的电池，分为密封电池和开口电池。
密封电池是其电解液不能补充，当因充电、长时间使用或环境热导致足够多的电解液蒸发时，电池就必须更换。
开口电池通常有可拆卸的盖（排气帽），使你可在电解液经过一段时间蒸发后进行添加或更换。
阀控电池有可以把压力维持在某一恒定压力值以下的压力阀，并通过特殊方法帮助绝大多数氢和氧在充电时重新化合成水。
除非内部压力非常高外，一个阀控电池不会使电池排放气体，在电解液损失方面得到节约。
最常用的2种阀控（VRLA）电池为胶体（Gel）和吸收式玻璃板（AGM）电池。
胶体（Gel）电池的特点是使用了类似烘制过的硅石的胶结剂来使电解液不流动。
AGM电池的特点是具有把感觉象海绵一样的电解液停留在某地方的薄纤维玻璃。
吸收式玻璃板（AGM）和胶体（Gel）电池可放在几乎任何位置，包括上方朝下。
如果出现被反转、刺穿等情况，都不会泄漏，并且甚至在水下也可继续工作。
它们比富液电池昂贵得多，但能很好地储存且不会象富液电池那样容易硫酸盐化或性能降低。
胶体（Gel）和吸收式玻璃板（AGM）电池也是密封电池，它们通常用于待机使用，例如保安系统、火灾报警和不间断电源供应等。
它们是深循环电池的一种，更适合仅仅在交流电源断开时需要后备电源的待机场合。
它们通常处在浮充电，因此它们保持接近其容量，而不易过充电。
3.电池的选用
正确地选用电池很重要。
起动用电池：
型号、规格取决于你使用的发动机起动电机的要求，也就是说根据工作电压、起动电流来确定。
通常起动电流（CA）的范围在400至1200安培。
如果你生活在寒冷的天气下，你就需要以冷起动电流（CCA）作为选择电池的额定数值。
因为在寒冷天气下，冷起动电流可能只有起动电流的70%左右。
深循环电池：
牵引车辆宜选用深循环电池，购买一个比你的要求稍大一些的电池。
当你每次使用它时，让电池放电到90%（或更低）比让电池100%完全放电要好。
如果你打算用来起动一台发动机，不要买深循环电池。
深循环电池是以电池容量（安培小时）或储备容量（RC）来选用。
双用途电池：
如果你打算把电池用作起动和深循环用途，应选择一个双用途电池。
例如，如果你在机动船上只有一个电池的存放空间，你应该买一个双用途电池，因而你可以使用它起动发动机以及给传动装置、照明等提供动力。
密封电池：
密封电池很难选择，因为有很多形状、尺寸和厂家。
由于存放密封电池的装置通常对尺寸大小很挑剔，在选择新的电池前一定要记下正确的尺寸。
当你找到一个同样尺寸的电池，要确定它的额定值（容量、电流）等于或大于你原先的电池。
同时也要选择正确的电压，因为密封电池有很多不同的电压等级。
四、测量、检查和充电
1.使用比重计
电解液
浮子
读此处
的比重
比重计是用于测量电池电解液（电池酸）中硫酸的浓度（比重）从而确定电池充电状态的一件廉价的浮动型试验装置，它是一端带橡胶嘴、另一端带柔软橡胶泡的玻璃或塑料园筒，里面有一个用于测量比重的、带校准刻度的浮球。
测量比重是确定一个电池充电状态和电压不足、失效的简易和准确的方法。
如果电池在过去4小时内充过电，去除表面电荷（由于充、放电而产生的、沿极板表面分布的硫酸和水混合不均匀。
它会使一个电压不足的电池看来好像是好的或好的电池好像很差）。
如在过去15分钟放过电，在测试前等待至少15分钟。
去除表面电荷的（推荐）方法如下：
a.使电池在无充电或放电的情况下放置6-12小时，使表面电荷消散后；
b.垂直地握着比重计和玻璃管，压缩橡胶泡，把橡胶嘴插入电池电解液中，然后释放橡胶泡。
电解液吸到玻璃管使浮球自由浮动。
c.挤压橡胶泡，把电解液释放回电池中。
d.为增加测量精确度，在同一电池，此过程重复几次使浮球达到与电解液同样的温度。
e.在眼睛放平的高度，浮子不动，在穿过浮子标记的电解液面处读取比重。
比重读数在1.100-1.300之间。
f.将电解液释放回电池，必须避免溅出。
g.对每个电池均重复此过程。
比重读数在最小和最大读数之间不应有多于50“点”（0.050）。
如果这样的话，要更换电池。
h.测量电解液温度，如温度不是25℃，使用温度补偿表进行补偿。
使用充电状态表，求出经温度补偿后的电池平均读数，你可容易确定电池的充电状态。
i.在使用后清洗比重计。
2.使用电压表
如果你使用一个密封型电池、排除充电或电气系统故障，哪怕是0.1V的差异都影响很大，因此应使用一个精确度为0.5%（或以上）的数字直流电压表进行测量。
模拟电压表对测量电池充电状态或充电系统输出值的毫伏特（那么小的）差异来说不够精确。
3.充电状态的测量
如果电池电解液温度高于45℃，让它冷却下来。
电池的电压受3个因素——充电状态、电流和温度的影响。
为确定在25℃电池电解液温度时的电池充电状态，使用下面的充电状态表。
下表假定比重1.265和12.65伏直流读数是在搁置（无外部电流流过）状态下充满电、湿式、低维护（铅/钙）铅酸电池的数据。
对于其他电解液温度，使用下面的温度补偿表来调整开路电压（OCV）或比重读数。
对于一个100%充电状态电池的比重或开路电压会随极板的化学成分不同（厂家不同）而不同，因此先检查电池厂家充电状态定义的技术规范。
一个在25℃充满电、湿式（12V）起动电池的比重范围在1.260-1.275（直流12.60-12.75伏）。
充电状态表
在放置状态下
数字电压表开路电压
在25℃下
近似的充电状态
比重计平均电池比重
电解液冻结点
12.65
100%
1.276
-67℃
12.45
75%
1.236
-37℃
12.24
50%
1.201
-23℃
12.06
25%
1.166
-9℃
11.89或更低
已放电
1.120或更低
-7℃
每一个电化学电池均有内阻。
当电流流过电池时，电池的电压会由于它的内阻而改变。
当电池正在充电时，电流造成电池单元的电压升高。
充电电流越大，电压就越高。
当电池在放电时，放电电流引起电池的电压下降。
放电电流越大，电池的电压下降越大。
不论类型、尺寸或环境，这对所有的电化学电池都是正确的。
下面是一个12V电池在25℃时充电状态与电压之间关系的图表示例。
电池充电时12V铅酸电池充电状态与电压
静止
电池充电状态（%）
上图有一条名为“静止”的灰色曲线。
这条曲线是串联的和处于静止状态的6个铅酸单体电池的一般表现情况。
“静止”意味着无电流流过电池，即它们既没在充电也未在放电。
如果电流流经电池，从测量来确定电池的充电状态是不足够明确。
电池放电时12V铅酸电池充电状态与电压
电池充电状态（%）
正在充电时同样充电状态（%）下的电压高于正在放电时。
4.放电深度
起动用电池不是预定用于深（循环）放电（不多于20%放电深度）。
确实，按其设计来使用，它们几乎不完全放电：
发电机起动是高能量密集型的，但持久性非常短。
大多数电池厂家提倡在电池放电超过50%前应重新充电。
5.温度补偿
温度补偿是对不同产品来说是不同的，取决于各电池厂家对100%充电状态的定义。
如果你使用一个数字直流电压表或非温度补偿比重计，请按下表所列的数值做出调整。
例如，如果电解液处于25℃，比重读数在100%充电状态时为1.276，当电解液温度为-5℃时，对于100%充电状态的实际比重读数应该是1.298，因为液体更绸。
但当你用1.298减去0.022时，经修正后的100%充电状态下读数为1.276。
在30℃,100%充电状态下的实际比重读数会是1.269,但经补偿（加0.007后）的100%充电状态下的读数将会是1.276。
如使用精确度0.5%或更高的数字直流电压表，也可按下表做出调整。
例如，如果电解液在25℃,并100%充电状态下的电压读数为12.65,当电解液在-5℃,100%充电状态下的实际电压读数将为13.14伏。
在35℃下，用-0.16伏来修正读数前，100%充电状态下实际的电压读数将会是12.49伏。
温度补偿表
电解液温度℃
加或减比重计比重读数
加或减数字电压表读数
60
+0.025
-0.57
55
+0.022
-0.49
50
+0.018
-0.41
45
+0.014
-0.32
40
+0.011
-0.24
35
+0.007
-0.16
30
+0.0036
-0.08
25
0
0
20
-0.0036
+0.08
15
-0.007
+0.16
10
-0.011
+0.24
5
-0.014
+0.32
0
-0.018
+0.41
-5
-0.022
+0.49
-10
-0.025
+0.57
-20
-0.032
+0.73
6.日常检查和维护
电解液液面高度至少应在极板以上13mm，在排气管以下6-10mm。
膨胀空间
极板
排气管
排气口
排气帽
目视检查明显问题，诸如电解液液位低、电池顶部脏或湿、导线腐蚀或鼓涨、端子或电池接线柱腐蚀、固持夹钳松动、导线接线端松弛或电池壳泄漏、损坏等。
在非密封电池中如电解液液位低，让电池冷却并且只添加蒸馏（或去离子或去除矿物质的）水至电池生产厂家标明的液位或至塑料加液管（排气口）的底部下6-10毫米。
在任何时候极板都需被电解液覆盖着。
避免添加过度，尤其在炎热的气候下，因为热会造成电解液膨胀和溢流。
液位过低时，不可添加硫酸、自来水或饮用纯净水等，蓄电池用水应符合JB/T10053-1999标准的要求。
应定期用湿布粘苏打水溶液清洁电池本体和接线部分。
接线端子应定期清洁和紧固。
为避免接线端顶部和充电器接线的端部裸露（夹钳）部分受腐蚀，用高温油脂或凡士林涂覆。
使用符合GB4554-84标准的硫酸和蒸馏水（或去离子水）配制而成的电解液，在25℃下的比重为1.280g/cm3±0.01g/cm3。
蓄电池放电后，应在不超过24小时内对电池重新充电。
7.电池充电
由于存在转换效率，铅酸电池重新充电时充入的电量通常为放出电量的1.2-1.3倍。
1）电池充电的四个阶段
大容量（散充）阶段是充电器电流恒定，电池电压增加的阶段，通常是在充电的前80%的阶段。
你可给电池予它能接受的电流，只要不超过20小时容量（安培小时）（表示为“C/20”）的20%或储备容量（RC）额定值的8%，并温度不超过45℃。
吸收阶段是充电器电压在直流14.1伏-14.8伏之间的恒定值（25℃下，具体数值取决于电池类型），并且电流减小直至电池完全充满，典型地它是充电的最后20%的阶段。
通常完全充满电出现在充电电流跌落到电池容量（安培小时）的2%（即C/50）或以下。
例如，一个50安培小时（C/20）的电池的最终电流大约为1.0安培或以下。
如果电池“保持”不住电量，在预计的充电时间之后电流不降低，并且电池发热的（50℃以上），那电池可能有一些永久的硫酸盐化了。
选择性浮充阶段是充电的电流刚刚好等于电池的自放电电流的充电过程。
充电电压减少到直流13.0伏-13.8伏之间（取决于电池型号），保持恒定不变，并用于长时期维持满充电池。
选择性均衡化阶段是一个控制性5%吸收过充电来进行均衡化和均衡每个电池的电压和比重。
均衡化与产生类似成层现象（在电池底部的电池酸浓度较大）的化学反应相反。
它也有助于消除可能已在极板表面或之间产生的硫酸盐晶体。
推荐的（均衡化）频次因电池厂家而异，从每月一次到每年一次或根据比重测试（电池间差值为0.03（或30点）或以上）。
为了进行均衡化，先检查每个电池的电解液液位，但不过度加液，然后给电池完全充电。
接着按电池厂家的推荐增加充电电压，或如不适用，增加5%。
在每个电池应该开始出现强烈的析气。
每小时记录一次每个单体电池的比重读数。
只要在析气阶段期间比重数值不再升高，就已出现均衡化。
确保极板任何时间都被电解液覆盖，如需要的话，添加蒸馏水，但不要过度加液。
如果有电池厂家推荐，才能进行均衡化。
充电阶段示例
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